(57)【要約】 【課題】  良好に効率よく誘導加熱できる加熱装置を提供する。【解決手段】  高周波の交流電力を出力する第１の発振手段２２１を接続する第１の変圧器２１０の２次側の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂ間に、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂを直列に接続し接続点が接地するバイパス直列回路Ｃ３を、同形状の第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂが高周波に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定する板間ギャップで対向する導体Ｌ１にて接続する。帰還阻止用のリアクトルを設けることなく帰還阻止でき、効率よく誘導加熱できる。【選択図】 図１
2006344386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる２種の周波数の電力を誘導加熱コイルにそれぞれ供給して被加熱物を誘導加熱させる誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱コイルに２次巻線が接続される変圧器と、
この変圧器を介して所定の周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第１の共振手段と、
この第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第２の共振手段と、を具備し、
前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、この第１の逆変換手段および前記変圧器の１次巻線間に設けられ直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記第２の共振手段から帰還させる周波数成分を減衰させる第１のコンデンサと、を備え、
前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の逆変換手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記変圧器の２次巻線へ出力する電圧形の第２の逆変換手段と、この第２の逆変換手段の出力側に設けられて直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償する第２のコンデンサと、前記変圧器の２次巻線に接続され第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスするバイパスコンデンサと、このバイパスコンデンサに直列に接続されこのバイパスコンデンサと直列共振回路を構成してこの直列共振回路にて前記第１の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるリアクトルと、を備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導加熱装置であって、
前記変圧器の２次巻線は、直列に接続する複数の分割巻線を有し、
前記第２の共振手段は、前記バイパスコンデンサおよび前記リアクトルの直列共振回路が前記分割巻線の接続点に前記分割巻線と直列状に接続されて構成された
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項３】
請求項２に記載の誘導加熱装置であって、
前記第２の共振手段は、１次巻線が第２の逆変換手段の出力側に前記第２のコンデンサに対して直列に接続されるとともに、２次巻線が前記変圧器の２次巻線における前記分割巻線の接続点に前記分割巻線と直列状に接続される前記バイパスコンデンサおよび前記リアクトルの直列共振回路に対して並列状に接続され、前記第２の逆変換手段から出力される交流電力のインピーダンスを所定の値に変換する変成器を備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
前記バイパスコンデンサは、直列に接続され互いの接続点が接地される複数の分割コンデンサを備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
前記リアクトルは、前記バイパスコンデンサを前記変圧器の２次巻線に接続させる導体で、前記バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定された
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項６】
請求項５に記載の誘導加熱装置であって、
前記導体は、同形状の板状で平面が所定の間隙を介して対向して前記バイパスコンデンサに対してそれぞれ直列状に接続される一対の導電板を備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項７】
請求項６に記載の誘導加熱装置であって、
前記一対の導電板は、前記バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定される間隙で対向配置された
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項８】
異なる２種の周波数の電力を誘導加熱コイルにそれぞれ供給して被加熱物を誘導加熱させる誘導加熱装置であって、
複数の分割巻線が直列に接続された２次巻線が前記誘導加熱コイルに接続される変圧器と、
この変圧器を介して所定の周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第１の共振手段と、
この第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第２の共振手段と、を具備し、
前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、この第１の逆変換手段および前記変圧器の１次巻線間に設けられ直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記第２の共振手段から帰還させる周波数成分を減衰させる第１のコンデンサと、を備え、
前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の逆変換手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記変圧器の２次巻線における前記分割巻線間に出力する電圧形の第２の逆変換手段と、この第２の逆変換手段の出力側に設けられて直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償する第２のコンデンサと、前記分割巻線間にこれら分割巻線と直列状に接続され、直列に接続されて互いの接続点が接地される複数の分割コンデンサの直列回路を備え、前記第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制するとともに第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスするバイパス回路と、を備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項９】
請求項８に記載の誘導加熱装置であって、
前記バイパス回路は、第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定された
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の誘導加熱装置であって、
前記バイパス回路は、前記分割コンデンサの直列回路の一端と前記変圧器の２次巻線における一方の分割巻線の一端との間に接続される第１の導電板と、前記分割コンデンサの直列回路の他端と前記変圧器の２次巻線における他方の分割巻線の一端との間に接続され、所定の間隙を介して並設される第２の導電板と、を備えた
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の誘導加熱装置であって、
前記バイパス回路は、前記分割コンデンサの直列回路とにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対して直列共振周波数となるインダクタンスに設定される間隙で前記第１の導電板および第２の導電板が対向配置されて構成された
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
前記第２の共振手段は、前記第１の共振手段で供給する交流電力の周波数より低い周波数の交流電力を供給する
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
交流電力を前記直流電力に変換して出力する順変換手段を具備し、
前記第１の逆変換手段および前記第２の逆変換手段は、前記順変換手段から出力される前記直流電力を所定の周波数の交流電力にそれぞれ変換する
ことを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項１４】
被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに異なる２種の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置と、
を具備したことを特徴とした加熱装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の加熱装置であって、
前記誘導加熱装置は、前記第１の逆変換手段にて変換する周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下で、前記第２の逆変換手段にて供給する周波数は１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、
前記誘導加熱コイルは、前記被加熱物として表面に凹凸を有した金属材料を誘導加熱する
ことを特徴とした加熱装置。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置を用い、前記第１の共振手段から出力される所定の周波数の交流電力と、前記第２の共振手段から出力され前記第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力とを、重畳または切り替えて誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱する
ことを特徴とする誘導加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる周波数を用いて被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置、その方法、および、加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異なる周波数の電力を１つの誘導加熱コイルに供給して、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置が知られている。このような誘導加熱装置は、２つの異なる周波数の電力を１つの誘導加熱コイルに同時に供給し、例えば歯車などの被加熱物における凹凸の被加熱面を焼入れする（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のものは、高周波を供給する第１の変換器と、中周波を供給する第２の変換器とを、１つの誘導コイルに並列に接続している。すなわち、高周波を供給する第１の変換器を直列共振回路として、誘導コイルの無効電力を直列補償するコンデンサにて、中周波を供給する第２の変換器からの中周波の帰還を減衰させている。また、第２の変換器に並列にコンデンサを接続して誘導コイルの無効電力を補償させるとともに、第２の変換器と、第１の変換器および第２の変換器の共通接点との間に、高周波の帰還を抑制させるリアクトルおよびこのリアクトルの無効電力を補償する追加補償のコンデンサの直列回路を直列に接続する構成が採られている。なお、高周波の帰還を抑制するリアクトルのインダクタンスは、誘導コイルのインダクタンスよりも少なくとも４倍に大きく設定している。
【０００４】
特許文献２に記載のものは、低い周波数の加熱電力を出力する第１の高周波電源装置の出力端子間に並列に共振コンデンサを接続するとともに、第１の高周波電源装置からの出力を高周波加熱コイルに供給する第１の変成器の１次側に接続している。また、高い周波数の加熱電力を出力する第２の高周波電源装置からの出力を、直列に接続した共振コンデンサを介して高周波加熱コイルに供給する第２の変成器の１次側に接続している。そして、第１の変成器と高周波加熱コイルとの間に、第２の変成器の２次巻線を直列に接続させ、第１の変成器の２次側に、第２の高周波電源装置からの高周波成分をバイパスするための高周波バイパスコンデンサを並列に接続している。そして、低い周波数の第１の高周波電源装置からの電力を高い周波数の第２の高周波電源装置へ漏洩するのを防ぎつつ高周波加熱コイルに加熱電力を供給するとともに、高い周波数の第２の高周波電源装置からの電力を低い周波数の第１の高周波電源装置へ漏洩するのを防ぎつつ高周波加熱コイルに加熱電力を供給する構成が採られている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３１５０９６８号公報（第２頁右欄−第３頁右欄、第３図）
【特許文献２】特開２００２−３５６７１５公報（第４頁右欄−第６頁右欄、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１または特許文献２に記載のような従来の誘導加熱装置において、商用交流電力を順変換回路にて所定の直流電力に変換し、さらに逆変換回路にて所定の周波数の交流電力に変換して供給する構成として、電圧形の逆変換回路を用いる構成と、電流形の逆変換回路を用いる構成と、を利用する構成が適宜選択可能である。ここで、異なる２つの周波数の電力をそれぞれ供給する構成に、電圧形の逆変換回路を用いる構成とすることで、電流形の逆変換回路を用いる構成に比して、負荷適応性が高くなるので好ましい。すなわち、誘導加熱コイルに異なる２つの周波数の電力を供給することにより被加熱物が加熱されて透磁率が変化しても、透磁率の変化に応じて変動してしまう供給電力を所定の電力に一定に制御することが迅速で容易に実施できる。しかしながら、電圧形の逆変換回路を用いる構成では、低周波側における共振回路に、高周波の帰還を抑制させるリアクトルおよびこのリアクトルの無効電力を補償する追加補償のコンデンサの直列回路を直列に接続する構成を用いることとなるので、リアクトルでの抵抗損が生じることとなり、より効率的な誘導加熱の実施が望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、良好な誘導加熱が得られる誘導加熱装置、その方法、および、加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の誘導加熱装置は、異なる２種の周波数の電力を誘導加熱コイルにそれぞれ供給して被加熱物を誘導加熱させる誘導加熱装置であって、前記誘導加熱コイルに２次巻線が接続される変圧器と、この変圧器を介して所定の周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第１の共振手段と、この第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第２の共振手段と、を具備し、前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、この第１の逆変換手段および前記変圧器の１次巻線間に設けられ直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記第２の共振手段から帰還させる周波数成分を減衰させる第１のコンデンサと、を備え、前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の逆変換手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記変圧器の２次巻線へ出力する電圧形の第２の逆変換手段と、この第２の逆変換手段の出力側に設けられて直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償する第２のコンデンサと、前記変圧器の２次巻線に接続され第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスするバイパスコンデンサと、このバイパスコンデンサに直列に接続されこのバイパスコンデンサと直列共振回路を構成してこの直列共振回路にて前記第１の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるリアクトルと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この発明では、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換し２次巻線が誘導加熱コイルに接続される変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、変圧器の１次巻線との間に、直列共振回路を構成する第１のコンデンサを設けて第１の共振手段を構成し、第１のコンデンサにより第１の逆変換手段で変換する周波数と異なる周波数の交流電力を供給する第２の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるとともに変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償して、第１の共振手段から所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイルへ供給して誘導加熱させる。また、供給される直流電力を第１の共振手段と異なる周波数の交流電力に変換し変圧器の２次巻線へ出力する電圧形の第２の逆変換手段の出力側に直列共振回路を構成する第２のコンデンサを設け、第２のコンデンサにより変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償して、第２の共振手段から所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイルへ供給して誘導加熱させる。そして、変圧器の２次巻線に接続し第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスさせるバイパスコンデンサと直列共振回路を構成するリアクトルをバイパスコンデンサに直列に接続させ、この直列共振回路にて第１の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させる。
【００１０】
このことにより、直列共振回路を構成するリアクトルとバイパスコンデンサとの直列回路は、第１の共振手段から供給される交流電力の周波数に対応する共振周波数となる状態にリアクトルのインダクタンスが設定されるので、リアクトルとバイパスコンデンサとの直列回路のインピーダンスは、バイパスコンデンサのリアクタンスに対して大きく下がったリアクトルの抵抗値に近似することとなる。そして、バイパスコンデンサのリアクタンスとなるインピーダンスに対してリアクタンスが大きく下回ったリアクトルを設けることで、誘導加熱コイルに流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられることから、リアクタンスが小さいリアクトルを設ければよい。このため、リアクタンスが小さいリアクトルとして例えば導体を利用するなどが可能となり、構成が簡略化し、帰還を減衰するために第２のコンデンサと直列に接続されるリアクトルの負荷が低減、さらには省略可能となり、第２のコンデンサに直列に接続する帰還阻止用のリアクトルによる抵抗損の発生が抑制されるとともに発熱のおそれも防止される。したがって、例えば、誘導加熱により被加熱物が加熱されて透磁率が変化したり、被加熱物の形状や材質、焼入れ状態などが変更されたりして、負荷が変動した場合の変動に対応する対応性である負荷適用性が良好な電圧形の逆変換手段を利用した良好な誘導加熱制御が得られ、相互干渉が低減することによる第２の共振手段から供給する交流電力の周波数同期制御が安定し、簡単な構成で抵抗損が低減し効率のよい誘導加熱が容易に得られる。
【００１１】
そして、本発明では、前記変圧器の２次巻線は、直列に接続する複数の分割巻線を有し、前記第２の共振手段は、前記バイパスコンデンサおよび前記リアクトルの直列共振回路が前記分割巻線の接続点に前記分割巻線と直列状に接続されて構成することが好ましい。このことにより、変圧器の２次巻線を複数の分割巻線を直列に接続して構成し、バイパスコンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を分割巻線の接続点にこれら分割巻線と直列状に接続しているので、例えば分割巻線の接続点の位置で接地させることで対アース電位が分割割合に対応して低減することとなり、変圧器における放電による損傷などが防止される。さらには、バイパスコンデンサおよびリアクトルの直列共振回路における電圧降下を小さく設定することが可能で、電圧降下の低減分に応じて第１の共振手段からの帰還電圧が低減し、帰還を低減するために第２のコンデンサと直列に接続して直列共振回路を構成する必要があるリアクトルの負荷が大きく低減することとなり、第２の共振手段から交流電力を供給するためのブスバにおける浮遊インダクタンスで帰還阻止も可能となり、リアクトルの省略による構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、さらにはリアクトルにおける発熱のおそれも防止される。
【００１２】
また、本発明では、前記第２の共振手段は、１次巻線が第２の逆変換手段の出力側に前記第２のコンデンサに対して直列に接続されるとともに、２次巻線が前記変圧器の２次巻線における前記分割巻線の接続点に前記分割巻線と直列状に接続される前記バイパスコンデンサおよび前記リアクトルの直列共振回路に対して並列状に接続され、前記第２の逆変換手段から出力される交流電力のインピーダンスを所定の値に変換する変成器を備えた構成とすることが好ましい。このことにより、１次巻線を第２の逆変換手段の出力側に第２コンデンサに対して直列に接続し、２次巻線を変圧器の２次巻線における分割巻線の接続点にこれら分割巻線と直列状でバイパスコンデンサおよびリアクトルの直列共振回路に対して並列状に接続して第２の共振手段に変成器を設け、変成器により第２の逆変換手段から出力される交流電力のインピーダンスを所定の値に変換させるので、第１の共振手段からの交流電力と第２の共振手段からの交流電力とを周波数が重畳する状態に同期させて供給することが容易となり、より良好な誘導加熱が容易に得られる。
【００１３】
さらに、本発明では、前記バイパスコンデンサは、直列に接続され互いの接続点が接地される複数の分割コンデンサを備えた構成とすることが好ましい。このことにより、複数の分割コンデンサを互いの接続点を接地させて直列に接続してバイパスコンデンサを構成しているので、バイパスコンデンサおよびリアクトルの直列回路における両端での電圧降下分が極めて小さくなり、第１の共振手段からの帰還電圧が低減し、帰還を低減するために第２のコンデンサに直列に接続する必要があるリアクトルの負荷が大きく低減し、第２の共振手段から交流電力を供給するためのブスバにおける浮遊インダクタンスでも第１の共振手段からの周波数成分の帰還が阻止され、リアクトルの省略による構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、さらにはリアクトルにおける発熱のおそれも防止される。
【００１４】
また、本発明では、前記リアクトルは、前記バイパスコンデンサを前記変圧器の２次巻線に接続させる導体で、前記バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定された構成とすることが好ましい。このことにより、バイパスコンデンサを変圧器の２次巻線に接続される導体で、バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定した導体でリアクトルを構成しているので、第１の共振手段からの周波数成分をバイパスするためのバイパスコンデンサの回路を設けるブスバとしてリアクトルが構成されることとなり、バイパスコンデンサのリアクタンスとなるインピーダンスに対してリアクタンスが大きく下回ったリアクトルとなり、誘導加熱コイルに流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられ、良好に第１共振手段からの周波数成分の帰還阻止が得られ、帰還を低減するために第２のコンデンサに直列に接続する必要があるリアクトルの負荷が大きく低減し、第２の共振手段から交流電力を供給するためのブスバにおける浮遊インダクタンスでも第１の共振手段からの周波数成分の帰還が阻止され、リアクトルの省略による構成の簡略化が容易に得られるとともに、抵抗損の発生が簡単な構成で容易に抑制され、リアクトルにおける発熱のおそれも容易に防止される。
【００１５】
そして、本発明では、前記導体は、同形状の板状で平面が所定の間隙を介して対向して前記バイパスコンデンサに対してそれぞれ直列状に接続される一対の導電板を備えた構成とすることが好ましい。このことにより、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止が、簡単な構成で容易に得られる。
【００１６】
さらに、本発明では、前記一対の導電板は、前記バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定される間隙で対向配置された構成とすることが好ましい。このことにより、バイパスコンデンサとにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定される間隙で一対の導電板を対向配置する簡単な構成で、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止、が容易に得られる。
【００１７】
本発明の誘導加熱装置は、異なる２種の周波数の電力を誘導加熱コイルにそれぞれ供給して被加熱物を誘導加熱させる誘導加熱装置であって、複数の分割巻線が直列に接続された２次巻線が前記誘導加熱コイルに接続される変圧器と、この変圧器を介して所定の周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第１の共振手段と、この第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力を前記誘導加熱コイルへ供給する第２の共振手段と、を具備し、前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、この第１の逆変換手段および前記変圧器の１次巻線間に設けられ直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記第２の共振手段から帰還させる周波数成分を減衰させる第１のコンデンサと、を備え、前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の逆変換手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記変圧器の２次巻線における前記分割巻線間に出力する電圧形の第２の逆変換手段と、この第２の逆変換手段の出力側に設けられて直列共振回路を構成し前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償する第２のコンデンサと、前記分割巻線間にこれら分割巻線と直列状に接続され、直列に接続されて互いの接続点が接地される複数の分割コンデンサの直列回路を備え、前記第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制するとともに第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスするバイパス回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この発明では、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換し２次巻線が誘導加熱コイルに接続される変圧器の１次巻線へ出力する電圧形の第１の逆変換手段と、変圧器の１次巻線との間に、直列共振回路を構成する第１のコンデンサを設けて第１の共振手段を構成し、第１のコンデンサにより第１の逆変換手段で変換する周波数と異なる周波数の交流電力を供給する第２の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるとともに変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償して、第１の共振手段から所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイルへ供給して誘導加熱させる。また、供給される直流電力を第１の共振手段と異なる周波数の交流電力に変換し変圧器の２次巻線における直列に接続された複数の分割巻線間に出力する電圧形の第２の逆変換手段の出力側に、直列共振回路を構成する第２のコンデンサを設け、第２のコンデンサにより変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償して、第２の共振手段から所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイルへ供給して誘導加熱させる。そして、直列に接続されて互いの接続点が接地される複数の分割コンデンサの直列回路を備え第１の逆変換手段からの周波数成分をバイパスさせるバイパス回路を、変圧器の２次巻線における分割巻線間にこれら分割巻線と直列状に接続して第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制させる。
【００１９】
このことにより、直列共振回路を構成するバイパス回路は、第１の共振手段から供給される交流電力の周波数に対応する共振周波数となる状態にリアクトルのインダクタンスが設定されるので、接続点が接地される複数の分割コンデンサを直列に接続した直列回路を備えたバイパス回路における両端の電圧降下が極めて小さくなり、バイパス回路のインピーダンスは分割コンデンサの直列回路の合成リアクタンスに対して大きく下がったリアクトルの抵抗値に近似することとなる。そして、分割コンデンサの直列回路の合成リアクタンスとなる合成インピーダンスに対してリアクタンスが大きく下回ったリアクトルを設けることで、誘導加熱コイルに流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられることから、リアクタンスが小さいリアクトルを設ければよい。このため、リアクタンスが小さいリアクトルとして例えば導体を利用するなどが可能となり、構成が簡略化し、帰還を減衰するために第２のコンデンサに直列に接続されるリアクトルの負荷が低減、さらには省略可能となり、第２のコンデンサに直列に接続する帰還阻止用のリアクトルによる抵抗損の発生が抑制されるとともに発熱のおそれも防止される。したがって、誘導加熱により被加熱物が加熱されて透磁率が変化するなどにより負荷の変動に対する適用性である負荷適用性が良好な電圧形の逆変換手段を利用した良好な誘導加熱制御が得られ、相互干渉が低減することによる第２の共振手段から供給する交流電力の周波数同期制御が安定し、簡単な構成で抵抗損を低減した効率のよい誘導加熱が容易に得えられる。
【００２０】
そして、本発明では、前記バイパス回路は、第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定された構成とすることが好ましい。このことにより、第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスにバイパス回路を設定しているので、分割コンデンサの直列回路の合成リアクタンスとなる合成インピーダンスに対して大きく下回ったリアクタンスとして、第１の共振手段からの周波数成分をバイパスするためのバイパス回路を設けるブスバの浮遊インダクタンスが利用され、誘導加熱コイルに流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられ、良好に第１共振手段からの周波数成分の帰還阻止が得られ、帰還を低減するために第２のコンデンサに直列に接続する必要があるリアクトルの負荷が大きく低減し、第２の共振手段から交流電力を供給するためのブスバにおける浮遊インダクタンスでも第１の共振手段からの周波数成分の帰還が阻止され、リアクトルの省略による構成の簡略化が容易に得られるとともに、抵抗損の発生が簡単な構成で容易に抑制され、リアクトルにおける発熱のおそれも容易に防止される。
【００２１】
また、本発明では、前記バイパス回路は、前記分割コンデンサの直列回路の一端と前記変圧器の２次巻線における一方の分割巻線の一端との間に接続される第１の導電板と、前記分割コンデンサの直列回路の他端と前記変圧器の２次巻線における他方の分割巻線の一端との間に接続され、所定の間隙を介して並設される第２の導電板と、を備えた構成とすることが好ましい。このことにより、分割コンデンサの直列回路の一端と変圧器の２次巻線における一方の分割巻線の一端との間に第１の導電板を接続するとともに、分割コンデンサの直列回路の他端と変圧器の２次巻線における他方の分割巻線の一端との間に第２の導電板とを接続し、第１の導電板と第２の導電板とを所定の間隙を介して並設させているので、簡単な構成で容易に、バイパス回路が第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定され、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止、が容易に得られる。
【００２２】
さらに、本発明では、前記バイパス回路は、前記分割コンデンサの直列回路とにより第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対して直列共振周波数となるインダクタンスに設定される間隙で前記第１の導電板および第２の導電板が対向配置された構成とすることが好ましい。このことにより、第１の導電板と第２の導電板の対向する間隙を調整することで、容易にバイパス回路が第１の共振手段で供給する交流電力の周波数に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定され、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止、が容易に得られる。
【００２３】
そして、本発明では、前記第２の共振手段は、前記第１の共振手段で供給する交流電力の周波数より低い周波数の交流電力を供給する構成とすることが好ましい。このことにより、第１の共振手段で供給する交流電力の周波数より低い周波数の交流電力を第２の共振手段から供給させるので、高い周波数成分の帰還阻止として、高い周波数成分をバイパスさせる分割コンデンサの直列回路のインピーダンスに対して大きく下回るリアクタンスを設定させればよいので、バイパス回路としてリアクトルを設けることなく、バイパス回路を設ける回路のブスバによる浮遊インダクタンスを有効利用して高い周波数成分の帰還が抑制されることとなる。したがって、容易な、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止が、有効的に得られる。
【００２４】
また、本発明では、交流電力を前記直流電力に変換して出力する順変換手段を具備し、前記第１の逆変換手段および前記第２の逆変換手段は、前記順変換手段から出力される前記直流電力を所定の周波数の交流電力にそれぞれ変換する構成とすることが好ましい。この構成により、それぞれ電圧形の第１の逆変換手段および第２の逆変換手段を用いているので、電圧形の第１の逆変換手段および第２の逆変換手段から所定の周波数の交流電力にそれぞれ変換する直流電力として、交流電力を直流電力に変換して出力させる順変換手段から供給させる構成とすることで、第１の共振手段および第２の共振手段に直流電力を供給する順変換手段が共有化され、さらなる構成の簡略化が得られる。
【００２５】
本発明の加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに異なる２種の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置と、を具備したことを特徴とする。
【００２６】
この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置から異なる２種の周波数の電力を供給して被加熱物を誘導加熱させる。このため、簡単な構成で効率のよい誘導加熱が容易に得えられる。
【００２７】
そして、この発明では、前記誘導加熱装置は、前記第１の逆変換手段にて変換する周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下で、前記第２の逆変換手段にて供給する周波数は１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、前記誘導加熱コイルは、前記被加熱物として表面に凹凸を有した金属材料を誘導加熱する構成とすることが好ましい。このことにより、第１の逆変換手段で５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数の交流電力に変換し、第２の逆変換手段で１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の周波数の交流電力に変換し、誘導加熱コイルにそれぞれ供給して、被加熱物として表面に凹凸を有した金属材料を誘導加熱させるので、金属材料の表面が第１の共振手段からの交流電力で良好に焼入れされ、金属材料の内部が第２の共振手段からの交流電力で良好に焼入れされ、金属材料が良好に熱処理される。
【００２８】
本発明の誘導加熱方法は、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置を用い、前記第１の共振手段から出力される所定の周波数の交流電力と、前記第２の共振手段から出力され前記第１の共振手段の周波数と異なる周波数の交流電力とを、重畳または切り替えて誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱することを特徴とする。
【００２９】
この発明では、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の誘導加熱装置で、第１の共振手段から出力する所定の周波数の交流電力と、この周波数と異なる周波数で第２の共振手段から出力する交流電力とを、重畳または切り替えて誘導加熱コイルに供給させて被加熱物を誘導加熱させる。このことにより、簡単な構成の誘導加熱装置で効率よく容易に被加熱物が誘導加熱される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施の形態における加熱装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態における加熱装置は、例えば異なる２種の周波数を用いて、被加熱物を誘導加熱処理する構成について説明するが、複数の誘導加熱装置を組み合わせて、複数の周波数の交流電力を誘導加熱装置に接続する誘導加熱コイルに供給して誘導加熱する構成としてもよい。また、被加熱物としては、表面に複数の凹凸を有する複雑な形状の金属材料、例えば歯車やねじ、ボルト、ナットなどの他、シャフトのような径寸法が異なり軸方向で凹凸となる筒状の部材、異なる材料が積層する複合材料など、いずれを対象とすることができる。図１は、本実施の形態における誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。
【００３１】
〔加熱装置の構成〕
図１において、１０は加熱装置で、この加熱装置１０は、異なる２種の周波数を利用して、例えば歯車などの凹凸の被加熱面を有する被加熱物１１を誘導加熱して焼入れする装置である。この加熱装置１０は、被加熱物１１を誘導加熱する誘導加熱コイル１００と、誘導加熱コイル１００に異なる２種の周波数の交流電力を供給する誘導加熱装置２００と、を備えている。
【００３２】
誘導加熱コイル１００は、誘導加熱装置２００に接続されている。そして、誘導加熱コイル１００は、誘導加熱装置２００から異なる２種の周波数の交流電力が重畳、あるいは適宜切り替えられて供給されることで、被加熱物１１を誘導加熱する。
【００３３】
誘導加熱装置２００は、商用交流電力を異なる２種の周波数の交流電力に適宜変換し、誘導加熱コイル１００へ供給する。この誘導加熱装置２００は、変圧器としての第１の変圧器２１０と、誘導加熱コイル１００に所定の周波数、例えば周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波の交流電力を供給して誘導加熱させる第１の共振手段２２０と、誘導加熱コイル１００に第１の共振手段２２０の周波数より低い周波数、例えば１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の中周波の交流電力を供給して誘導加熱させる第２の共振手段２３０と、これら第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０からそれぞれ交流電力を適宜供給させる制御をする図示しない制御手段と、を備えている。
【００３４】
第１の変圧器２１０は、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０に接続されるとともに誘導加熱コイル１００に接続され、所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイル１００に供給する。この第１の変圧器２１０は、例えば自己インダクタンスが小さいもので、２次巻線２１２を構成する直列に接続された分割巻線である第１分割巻線２１２Ａと、分割巻線である第２分割巻線２１２Ｂとがそれぞれ１回巻きで、これら第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの合成されたインダクタンスの値と、誘導加熱コイル１００のインダクタンスの値とが略同一となる状態に設定されたものである。そして、第１の変圧器２１０は、２次巻線２１２の両端となる第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの直列回路の両端が誘導加熱コイル１００に接続されている。すなわち、第１分割巻線２１２Ａの一端側と、第２の分割巻線２１２Ｂの他端側との間に誘導加熱コイル１００が接続されている。
【００３５】
第１の共振手段２２０は、第１の発振手段２２１と、第２の変圧器２２２と、第１のコンデンサＣ１と、を備えている。また、第１の発振手段２２１は、順変換手段としての第１のコンバータ２２１Ａと、第１の平滑コンデンサＣｆ１と、第１の逆変換手段としての第１のインバータ２２１Ｂと、を備えている。第１のコンバータ２２１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流電力を直流電力に変換する。この変換した直流電力は、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して適宜平滑され、第１のインバータ２２１Ｂへ出力される。第１のインバータ２２１Ｂは、例えばフルブリッジ形などの電圧形インバータで、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して入力される直流電力を所定の周波数である上述した高周波の交流電力に変換する。また、第１のインバータ２２１Ｂの出力端子間には、第２の変圧器２２２の１次巻線２２２Ａが直列に接続されている。第２の変圧器２２２は、高周波の交流電力を所定のインピーダンスに変換する。この第２の変圧器２２２は、第１のコンデンサＣ１と、誘導加熱コイル１００とにて直列共振回路を構成する。
【００３６】
そして、第１の共振手段２２０は、第２の変圧器２２２の２次巻線２２２Ｂの出力端子間に、第１のコンデンサＣ１および第１の変圧器２１０の１次巻線２１１の直列回路が直列に接続されて構成される。すなわち、第１のコンデンサＣ１は、第１のインバータ２２１Ｂから出力され第２の変圧器２２２を介して供給される所定の高周波の交流電力により直列共振状態となり、誘導加熱コイル１００にて被加熱物１１を誘導加熱させる。また、第１のコンデンサＣ１は、第１の変圧器２１０および誘導加熱コイル１００の無効電力を補償するとともに、第１の変圧器２１０で第２の共振手段２３０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する。そして、第１の共振手段２２０は、上述したように、周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波の交流電力を第１の変圧器２１０を介して誘導加熱コイル１００に供給し、第１のコンデンサＣ１で直列共振により、被加熱物１１を誘導加熱させる。ここで、周波数が５０ｋＨｚより低くなると、特に歯車での被加熱面が凹凸の被加熱物１１の良好な焼入れが得られなくなるおそれがある。一方、１ＭＨｚより高くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。このため、第１の共振手段２２０で供給する周波数は、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲に設定することが好ましい。
【００３７】
第２の共振手段２３０は、第２の発振手段２３１と、第２のコンデンサＣ２と、変成器としての第３の変圧器２３２と、バイパス回路２３３と、を備えている。また、第２の発振手段２３１は、第１の共振手段２２０と同様に、第２のコンバータ２３１Ａと、第２の平滑コンデンサＣｆ２と、第２のインバータ２３１Ｂと、を備えている。第２のコンバータ２３１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流電力を直流電力に変換する。この変換した直流電力は、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して適宜平滑され、第２のインバータ２３１Ｂへ出力される。第２のインバータ２３１Ｂは、例えば電圧形インバータで、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して入力される直流電力を所定の周波数である上述した中周波の交流電力に変換する。第３の変圧器２３２は、低周波の交流電力を所定のインピーダンスに変換する。この第３の変圧器２３２は、第１のコンデンサＣ１と、誘導加熱コイル１００とにて直列共振回路を構成する。
【００３８】
そして、第２の共振手段２３０は、第２のインバータ２３１Ｂの出力端子間に、第２のコンデンサＣ２と、第３の変圧器２３２の１次巻線２３２Ａとの直列回路が接続されている。第２のコンデンサＣ２は、第２のインバータ２３１Ｂの出力端と第３の変圧器２３２の１次巻線２３２Ａとの間の回路における線路であるブスバ２３４のインダクタンスと、誘導加熱コイル１００の等価インダクタンスとにより直列共振する直列共振回路を構成する。また、第３の変圧器２３２の２次巻線２３２Ｂは、両端が第１の変圧器２１０の２次巻線２１２における第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの接続点に接続、すなわち２次巻線２３２Ｂが第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂ間に直列に接続されている。なお、ブスバ２３４は、その浮遊インダクタンスにより、第１の共振手段２２０からの高周波の帰還を阻止、すなわち高周波電流が第２のインバータ２３１Ｂに侵入することを抑制する。
【００３９】
さらに、バイパス回路２３３は、直列に接続された分割コンデンサである第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂのバイパスコンデンサとしてのバイパス直列回路Ｃ３を備えている。なお、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂは、同等規格のものである。また、バイパス直列回路Ｃ３は、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂの接続点が接地されている。そして、バイパス回路２３３は、バイパス直列回路Ｃ３の両端が、第１の変圧器２１０の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの接続点に接続、すなわち第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂ間に直列で、第３の変圧器２３２の２次巻線２３２Ｂに対して並列に、ブスバであるリアクトルとしての導体Ｌ１にて接続されている。すなわち、バイパス回路２３３は、バイパス直列回路Ｃ３およびこのバイパス直列回路Ｃ３に直列状に接続される導体Ｌ１を備え、導体Ｌ１によりバイパス直列回路Ｃ３が第１の変圧器２１０の２次巻線２１２に接続されて、第１の共振手段２２０からの高周波成分をバイパスする。そして、導体Ｌ１は、バイパス直列回路Ｃ３とにより直列共振回路を構成し、第１の共振手段２２０から帰還される高周波成分を減衰させる。この導体Ｌ１は、例えば銅板にて所定寸法の同一平板状に形成された一対の導電板である第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂが所定の間隙で平面が対向する状態に対向配置されて構成されている。この導体Ｌ１の浮遊インダクタンスＬは、第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂの長さ寸法ｌ〔ｍｍ〕、幅寸法Ｗ〔ｍｍ〕、厚さ寸法Ｄ〔ｍｍ〕、間隙である板間ギャップＧ〔ｍｍ〕とすると、以下の数１で示される。
【００４０】
（数１）
Ｌ＝１．２６×１０-3×ｌ×（Ｇ／Ｗ）〔μＨ／ｍｍ〕
【００４１】
そして、導体Ｌ１の板間ギャップＧは、第１の共振手段からの高周波成分でバイパス直列回路Ｃ３と導体Ｌ１との直列共振点となる導体Ｌ１のインダクタンスＬとなる状態に設定される。例えば、第１の共振手段２２０で供給する高周波の交流電力の周波数ｆ１が２００ｋＨｚ、バイパス直列回路Ｃ３の静電容量である第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂの合成静電容量Ｃが５０μＦである場合、第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂの長さ寸法ｌが５００ｍｍ、幅寸法Ｗが３００ｍｍとすると、導体Ｌ１のインダクタンスＬは、以下で示す数２により演算される。
【００４２】
（数２）
Ｌ＝１／（ω2×Ｃ）
＝０．０１２７μＨ
ω：２π×ｆ１
Ｃ：（Ｃ３Ａ×Ｃ３Ｂ）／（Ｃ３Ａ＋Ｃ３Ｂ）
Ｃ３Ａ：第１分割コンデンサＣ３Ａの静電容量
Ｃ３Ｂ：第２分割コンデンサＣ３Ｂの静電容量
【００４３】
したがって、例えば、長さ寸法ｌが５００ｍｍで幅寸法Ｗが３００ｍｍの第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂの板間ギャップＧは、以下で示す数３により演算される。
【００４４】
（数３）
Ｇ＝Ｌ×Ｗ／（１．２６×１０-3×ｌ）
＝０．０１２７×３００／（１．２６×１０-3×５００）
＝６〔ｍｍ〕
【００４５】
そして、第２の共振手段２３０は、周波数が１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の中周波の交流電力を誘導加熱コイル１００に供給し、第２のコンデンサＣ２の直列共振により、被加熱物１１を誘導加熱させる。ここで、周波数が１ｋＨｚより低くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。一方、５０ｋＨｚより高くなると、被加熱物１１の内部に亘る良好な誘導加熱が得られなくなるおそれがある。このことから、第２の共振手段２３０にて供給する周波数は、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下が好ましい。
【００４６】
制御手段は、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０の動作を制御する。この制御手段は、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０から誘導加熱コイル１００に供給する交流電力の大きさを、作業者による入力操作にて設定する図示しない操作手段を備えている。具体的には、操作手段は、例えば作業者が入力操作可能な操作つまみを有する操作手段を備え、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０の最大出力をそれぞれ１００％として、０％以上１００％以下の範囲で操作つまみが入力操作されることで、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０を電流一定制御にて、それぞれ入力操作された設定値に対応する電流値となる交流電力をそれぞれ設定入力する。そして、制御手段は、第１の共振手段２２０で所定の高周波の交流電力を、設定された出力割合で電流値が一定となる状態に電流一定制御で誘導加熱コイル１００に供給させる。さらに、制御手段は、第２の共振手段２３０で所定の中周波の交流電力を、同様に電流一定制御で設定された出力割合の交流電力を誘導加熱コイル１００に供給させる。これら高周波の交流電力および中周波の交流電力は、それぞれ独立して供給可能であるとともに、高周波および中周波が適宜重畳する状態に供給可能となっている。
【００４７】
〔加熱装置の動作〕
（誘導加熱処理）
次に、上述した一実施の形態における加熱装置１０の動作として、誘導加熱処理の動作を説明する。ここでは、上述したように、被加熱物１１として例えば歯車やねじ、ボルトなどの表面に複数の凹凸を有した金属材料を加熱処理する動作を例示して説明する。
【００４８】
まず、被加熱物１１を誘導加熱コイル１００が配設された図示しない所定の加熱室内に配置させる。そして、制御手段により、あらかじめ誘導加熱する状態に対応して設定された設定値に基づいて第２の共振手段２３０における第２の発振手段２３１で変換された中周波の交流電力が出力されると、ブスバ２３４および第２のコンデンサＣ２が直列共振状態となり、第１の変圧器２１０の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂをバイパスして誘導加熱コイル１００に供給され、誘導加熱コイル１００により被加熱物１１を誘導加熱する。この誘導加熱コイル１００へ中周波の交流電力を供給している際、第１の共振手段２２０における第１のコンデンサＣ１が中周波の帰還を減衰し、第１の変圧器２１０の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂをバイパスして誘導加熱コイル１００に中周波の交流電力が供給される。ここで、第１のコンデンサＣ１は、第１の共振手段２２０における高周波の整合のために静電容量が小さいので、中周波におけるインピーダンスが非常に大きくなり、中周波成分の侵入が十分に阻止される。
【００４９】
また、制御手段により、あらかじめ誘導加熱する状態に対応して設定された設定値に基づいて第１の共振手段２２０における第１の発振手段２２１で変換された高周波の交流電力が出力されると、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、第１の変圧器２１０を介して誘導加熱コイル１００に供給され、誘導加熱コイル１００により被加熱物１１を誘導加熱する。この誘導加熱コイル１００へ高周波の交流電力を供給している際、第２の共振手段２３０において、バイパス回路２３３におけるブスバである導体Ｌ１が第１の共振手段２２０からの高周波の帰還成分を減衰するとともに、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂのバイパス直列回路Ｃ３が第１の変圧器２１０の無効電力を補償する。
【００５０】
ここで、第２の共振手段２３０における高周波の帰還成分の減衰は、高周波をバイパスさせるバイパス直列回路Ｃ３のリアクタンスに対応するインピーダンスに対して割合が大きく異なるリアクタンスを、高周波の帰還成分の影響を受ける第２の共振手段２３０に設定することで、高周波の帰還電流が第２の共振手段２３０に流れることを抑制する減衰効果が高まる。すなわち、高周波の帰還電流が誘導加熱コイル１００に流れる負荷電流の１／５〜１／１０以下に抑えることで、安定した周波数同期が得られ、良好に誘導加熱制御できる。このため、第２のコンデンサＣ２のインピーダンスに対するリアクタンスの比も同様に５倍〜１０倍以上必要となる。そこで、例えば図２に示す回路のように、このようなリアクタンスとなるリアクトルＬ２を、第２のコンデンサＣ２に直列に接続して帰還成分を減衰させると、リアクトルＬ２は低周波の交流電力を出力させる際に余分の無効電力が発生する。なお、図２は、本実施の形態における加熱装置１０の前提となる技術を説明するための比較例となる加熱装置２０の概略構成を示す回路図で、図１に示す加熱装置１０と同等の構成については同一の符号を付している。
【００５１】
すなわち、この図２に示す回路構成の加熱装置２０において、図３に示す第１の変圧器２１０の電圧と、図４に示す第３の変圧器２３２の電圧とを比較すると、低周波側となる第３の変圧器２３２の電圧が約３倍程度高く、低周波側の無効電圧が高くなっている。これは、バイパス直列回路Ｃ３と、このバイパス直列回路Ｃ３を第１の変圧器２１０の２次巻線２１２に接続するブスバの浮遊インダクタンスとによる直列共振により、電圧と電流との位相が図５に示すように９０°遅れるので合成電圧が発生し、低周波側の電圧が高くなる。したがって、図２に示すようなリアクトルＬ２を設ける加熱装置２０の構成では、リアクトルＬ２により余分に発生する無効電力を補償するために、第２のコンデンサＣ２におけるキロボルトアンペアの仕様（ｋＶＡ仕様）も増大させる必要があり、コストが増大するおそれがある。また、ある程度のリアクタンスが必要となることから、リアクトルＬ２における抵抗損、例えば加熱装置１０との同等の仕様で５％程度の抵抗損も生じる。
【００５２】
一方、加熱装置１０におけるバイパス直列回路Ｃ３および導体Ｌ１は、高周波による直列共振回路を構成し、バイパス回路２３３におけるインピーダンスＺは、以下に示す数４により求められる。そして、バイパス回路２３３の共振周波数ｆが高周波の周波数と同じになるように、導体Ｌ１のインダクタンスが設定されている。なお、バイパス回路２３３の共振周波数ｆは、以下に示す数５により求められる。
【００５３】
（数４）
Ｚ＝ｒ＋ｊωＬ＋（１／ｊ）ωＣ
ｒ：ブスバや導体Ｌ１の抵抗値〔Ω〕
ｊ：係数
【００５４】
（数５）
ｆ＝（１／２）π（Ｌ×Ｃ）1/2
【００５５】
したがって、高周波の周波数におけるバイパス回路２３３のインピーダンスＺは、ブスバや導体Ｌ１の抵抗値ｒと同一（Ｚ＝ｒ）となる。そして、この抵抗値ｒは、ブスバや導体Ｌ１であることから、バイパス直列回路Ｃ３のリアクタンスＸより大きく下回ることとなる。例えば、上述した周波数で誘導加熱する仕様の加熱装置１０では、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂとして数十μＦ程度のものが用いられるので、約１／５０以下となる。なお、バイパス直列回路Ｃ３のリアクタンスＸは、以下に示す数６により求められる。
【００５６】
（数６）
Ｘ＝（１／ω）Ｃ
【００５７】
さらに、バイパス直列回路Ｃ３を構成する第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂ間が接地されているので、バイパス回路２３３の両端の電圧降下は、１つのコンデンサにてバイパスさせる構成に対して極めて小さくなる。したがって、第１の変圧器２１０の２次巻線２１２に係る高周波帰還電圧も相応に小さくなる。このことにより、高周波の帰還電流の侵入を阻止するために設定されるインダクタンスも極めて小さい値でよい。すなわち、高周波成分をバイパスするバイパス回路２３３のインピーダンスＺを下げることで、設定するインダクタンスも低減する。また、インダクタンスの設定として導体Ｌ１における板間ギャップＧを適宜設定して所定の値に操作すなわち設定しているので、合成電圧が小さくなる。このため、第２のインバータ２３１Ｂの力率が１に近づき、効率よく低周波の交流電力を供給できることとなる。
【００５８】
したがって、上述した仕様の加熱装置１０では、高周波成分をバイパスするバイパス直列回路Ｃ３を第１の変圧器２１０の２次巻線２１２にブスバである所定のインダクタンスに設定した導体Ｌ１にて接続してバイパス回路２３３を構築する簡単な構成で、第２の共振手段２３０における第１のインバータ２３１Ｂまでのブスバ２３４の浮遊インダクタンスのみでも十分に阻止されることとなり、図２に示すような加熱装置２０の構成のように、リアクトルＬ２を設ける必要がなくなる。このため、リアクトルＬ２を設けなくても高周波の干渉を防止でき、簡単な構成で第２の発振手段２３１における周波数同期制御が安定するとともに、リアクトルＬ２による抵抗損の発生も防止され、低周波の整合の効率が向上して低周波による効率的な誘導加熱ができ、さらにはリアクトルＬ２の抵抗損による発熱のおそれも生じず、良好な誘導加熱ができる。
【００５９】
〔加熱装置の作用効果〕
上述したように、上記実施の形態では、供給される直流電力を所定の高周波の交流電力に変換し２次巻線２１２が誘導加熱コイル１００に接続される第１の変圧器２１０の１次巻線２１１へ出力する電圧形の第１のインバータ２２１Ｂと、第１の変圧器２１０の１次巻線２１１との間に、直列共振回路を構成する第１のコンデンサＣ１を設けて第１の共振手段２２０を構成し、第１のコンデンサＣ１により第１のインバータ２２１Ｂで変換する高周波と異なる中周波の交流電力を供給する第２の共振手段２３０から帰還される周波数成分を減衰させるとともに第１の変圧器２１０および誘導加熱コイル１００の無効電力を補償して、第１の共振手段２２０から所定の高周波の交流電力を誘導加熱コイル１００へ供給して誘導加熱させる。また、供給される直流電力を第１の共振手段２２０と異なる中周波の交流電力に変換し第１の変圧器２１０の２次巻線２１２へ出力する電圧形の第２のインバータ２３１Ｂの出力側に直列共振回路を構成する第２のコンデンサＣ２を設け、第２のコンデンサＣ２により第１の変圧器２１０および誘導加熱コイル１００の無効電力を補償して、第２の共振手段２３０から所定の中周波の交流電力を誘導加熱コイル１００へ供給して誘導加熱させる。そして、第１の共振手段２２０における第１のインバータ２２１Ｂからの高周波成分をバイパスさせるバイパス直列回路Ｃ３を第１の変圧器２１０の２次巻線２１２に接続し、このバイパス直列回路Ｃ３と直列共振回路を構成する導体Ｌ１をバイパス直列回路Ｃ３に直列に接続させ、直列共振回路にて第１の共振手段２２０から帰還される高周波成分を減衰させている。
【００６０】
このため、直列共振回路を構成する導体Ｌ１とバイパス直列回路Ｃ３との直列回路は、第１の共振手段２２０から供給される交流電力の高周波に対応する共振周波数となる状態に導体Ｌ１のインダクタンスＬが設定されるので、導体Ｌ１とバイパス直列回路Ｃ３と直列回路のインピーダンスＺは、バイパス直列回路のリアクタンスＸに対して大きく下がった導体Ｌ１の抵抗値ｒに近似することとなる。そして、バイパス直列回路Ｃ３のリアクタンスとなるインピーダンスに対してリアクタンスが大きく下回ったリアクトルを設けることで、誘導加熱コイル１００に流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられることから、リアクタンスが小さい導体Ｌ１を設けているので、構成が簡略化し、帰還を減衰するために第２のコンデンサＣ２に直列に接続されるリアクタンス成分の負荷が低減してリアクタンス成分としてリアクトルを省略可能となり、第２のコンデンサＣ２に直列に接続して構成する直列共振回路で帰還阻止させるリアクトルＬ２による抵抗損の発生を抑制できるとともに発熱のおそれも防止できる。したがって、例えば、商用交流電力を直流電力に変換した後に所定の周波数の交流電力に変換する構成が容易な電圧形で、誘導加熱により被加熱物１１が加熱されて透磁率が変化したり、被加熱物１１の形状や材質、焼入れ状態などが変更されたりして負荷が変動した場合、その変動に対応する対応性である負荷適用性が良好な電圧形のインバータを利用した良好な誘導加熱制御が得られ、相互干渉が低減することによる第２の共振手段２３０から供給する交流電力の周波数同期制御が安定し、簡単な構成で抵抗損を低減した効率のよい誘導加熱が容易にできる。
【００６１】
そして、第１の変圧器２１０の２次巻線２１２を分割した第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂを直列に接続して構成し、バイパス直列回路Ｃ３および導体Ｌ１の直列回路を第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂ間となる接続点にこれら第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂに対して直列状に接続している。このため、例えば第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの接続点の位置、すなわちバイパス回路２３３で接地させることで対アース電位が分割割合に対応して低減、例えば同仕様の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂでは１／２となり、第１の変圧器２１０における放電による損傷などを防止できる。さらには、バイパス直列回路Ｃ３および導体Ｌ１の直列回路における電圧降下を小さく設定することも容易にでき、電圧降下の低減分に応じて第１の共振手段２３０からの帰還電圧が低減し、帰還を低減するために第２のコンデンサＣ２に直列に接続して直列共振回路を構成する必要があるリアクトルＬ２の負荷が大きく低減するとともに、帰還電圧阻止のためのリアクタンスに応じた無効電力を補償するための第２のコンデンサＣ２のｋＶＡ仕様も低減する。このため、第２の共振手段２３０から交流電力を供給するためのブスバ２３４における浮遊インダクタンスで帰還阻止も可能となり、リアクトルＬ２の省略による構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルＬ２における発熱のおそれの防止ができ、効率よく誘導加熱できる。
【００６２】
また、１次巻線２３２Ａを第２のインバータ２３１Ｂの出力側に第２コンデンサＣ２に対して直列に接続し、２次巻線２３２Ｂを第１の変圧器２１０の第１分割巻線２１２Ａおよび第２分割巻線２１２Ｂの接続点に直列状でバイパス直列回路Ｃ３および導体Ｌ１の直列回路に対して並列状に接続した第３の変圧器２３２を第２の共振手段２３０に設け、第３の変圧器２３２により第２のインバータ２３１Ｂから出力される交流電力のインピーダンスを所定の値に変換させている。このため、第１の共振手段２２０からの交流電力と第２の共振手段２３０からの交流電力との整合が良好に得られ、異なる周波数が重畳する状態に同期させて供給することが容易で、より良好な誘導加熱が容易に得られる。
【００６３】
さらに、第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂを直列に接続してバイパス直列回路Ｃ３を構成し、直列接続の互いの接続点である第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂの接続点を接地させている。このため、バイパス直列回路Ｃ３および導体Ｌ１の直列回路における両端での電圧降下分が極めて小さくなり、第１の共振手段２２０からの高周波成分の帰還電圧が低減し、帰還を低減するために第２のコンデンサＣ２に直列に接続して直列共振回路を構成する必要があるリアクトルＬ２の負荷すなわちリアクトル成分を大きく低減でき、第２の共振手段２３０から交流電力を供給するためのブスバ２３４における浮遊インダクタンスでも第１の共振手段２２０からの高周波成分の帰還を十分に阻止でき、リアクトルＬ２の省略による構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルＬ２における発熱のおそれの防止ができ、効率よく誘導加熱できる。
【００６４】
また、バイパス直列回路Ｃ３を第１の変圧器２１０の２次巻線２１２に接続する路線となるブスバである導電体で、バイパス直列回路Ｃ３とにより第１の共振手段２２０で供給する交流電力の高周波に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定した導体Ｌ１で高周波成分の帰還阻止をしている。このため、第１の共振手段２２０からの高周波成分をバイパスするためのバイパス直列回路Ｃ３を接続してバイパスさせる回路構成を構築するブスバとなる導体Ｌ１が高周波成分の帰還を阻止するリアクトルとして機能することとなり、バイパス直列回路Ｃ３のインピーダンスに対してリアクタンスが大きく下回ったインダクタンスが設定され、誘導加熱コイル１００に流れる負荷電流に対して帰還電流が大きく抑えられ、良好に第１共振手段２２０からの高周波成分の帰還阻止ができ、帰還を低減するために第２のコンデンサＣ２に直列に接続する必要があるリアクトルＬ２の負荷すなわちリアクトル成分を大きく低減でき、第２の共振手段２３０から交流電力を供給するためのブスバ２３４における浮遊インダクタンスでも第１の共振手段２２０からの高周波成分の帰還を十分に阻止でき、リアクトルＬ２の省略による構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルＬ２における発熱のおそれの防止が容易にでき、効率よく誘導加熱できる。
【００６５】
そして、導体Ｌ１として、同形状の平板状で平面が所定の間隙である板間ギャップＧを介して対向してバイパス直列回路Ｃ３に対してそれぞれ直列状に接続される一対の第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂを備えた構成としている。このため、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止が、簡単な構成で容易にでき、効率よく誘導加熱できる。
【００６６】
さらに、バイパス直列回路Ｃ３とにより第１の共振手段２２０で供給する交流電力の高周波に対応した直列共振周波数となるインダクタンスに設定される板間ギャップＧで一対の第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂを対向配置する簡単な構成で、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止、が容易にでき、効率よく誘導加熱できる。
【００６７】
また、第１の共振手段２２０で供給する交流電力の高周波より低い中周波の交流電力を第２の共振手段２３０から供給させている。このため、高周波成分の帰還阻止として、高周波成分をバイパスさせるバイパス直列回路Ｃ３のインピーダンスに対して大きく下回るリアクタンスを設定させればよいので、バイパス回路２３３として特別なリアクトルを設けることなく、バイパス回路２３３を設ける回路の路線であるブスバによる浮遊インダクタンスを有効利用して高周波成分の帰還が抑制されることとなる。したがって、ブスバとなる導体Ｌ１により、構成の簡略化、抵抗損の発生の抑制、リアクトルにおける発熱の防止が容易な構成が有効的に機能し、簡単な構成で効率よく誘導加熱できる。
【００６８】
そして、第１のインバータ２２１Ｂで５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波の交流電力に変換し、第２のインバータ２３１Ｂで１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の中周波の交流電力に変換し、誘導加熱コイル１００にそれぞれ供給して、被加熱物１１として表面に凹凸を有した歯車やねじ、ボルトなどの金属材料を誘導加熱させるので、金属材料の表面が第１の共振手段２２０からの交流電力で良好に焼入れされ、金属材料の内部が第２の共振手段２３０からの交流電力で良好に焼入れされ、金属材料が良好に輪郭焼入れされ、良好な熱処理ができる。
【００６９】
さらに、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０に、それぞれ電圧形の第１のインバータ２２１Ｂおよび第２のインバータ２３１Ｂを用いている。電圧形の第１のインバータ２２１Ｂおよび第２のインバータ２３１Ｂから所定の周波数の交流電力にそれぞれ変換する直流電力として、交流電力を直流電力に変換して出力させる第１のコンバータ２２１Ａおよび第２のコンバータ２３１Ａから供給させる構成とすることで、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０に直流電力を供給する順変換の構成を共有化、例えば図１に示す加熱装置１０における第１のコンバータ２２１Ａおよび第２のコンバータ２３１Ａの共有化、さらには図６に示す加熱装置３０のように、第１のコンバータ２２１Ａおよび第２のコンバータ２３１Ａの共有化、および、第１の平滑コンデンサＣｆ１および第２の平滑コンデンサＣｆ２の共有化ができ、さらなる構成の簡略化が得られ、製造性の向上やコストの低減が容易に図れる。なお、図６は、図１に示す加熱装置１０と同等の構成について同一の符号を付したものである。
【００７０】
〔実施の形態の変形例〕
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などの種々の変更は本発明に含まれるものである。
【００７１】
例えば、誘導加熱の仕様によりバイパス回路２３３の導体Ｌ１により十分に高周波の帰還阻止が得られない場合など、第２のコンデンサＣ２に直列にリアクトルＬ２を設けてもよい。このリアクトルＬ２により、高周波成分の帰還をより阻止でき、安定した良好な誘導加熱ができる。なお、上述の加熱装置１０，３０に別途設けるリアクトルＬ２としては、高周波成分の帰還が導体Ｌ１により大きく抑制されているので、図２に示す加熱装置２０に比して、上述したようにインダクタンスが小さい仕様でよく、リアクトルＬ２を設ける構成でも、構成の簡略化が得られる。
【００７２】
そして、第１の共振手段２２０として高周波の交流電力を供給させ、第２の共振手段２３０として中周波の交流電力を供給させる構成について説明したが、例えば逆の構成とするなど、異なる周波数の交流電力を供給する構成であればよい。また、高周波および中周波として、上述した範囲に限らず、他の周波数帯で交流電力を供給させてもよい。また、それぞれ異なる周波数で交流電力を供給する第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０の一対の構成で加熱装置１０を構成したが、上述したように、さらに他の周波数の交流電力を供給する共振手段を備えた構成とするなどしてもよい。
【００７３】
また、第１の共振手段２２０および第２の共振手段２３０として、第１のコンバータ２２１Ａおよび第２のコンバータ２３１Ａや第１の平滑コンデンサＣｆ１および第２の平滑コンデンサＣｆ２の構成を誘導加熱装置２００に対して別体として接続する構成としてもよい。なお、順変換として上述したブリッジ整流回路に限らず、また逆変換の構成としてフルブリッジ形に限らずハーフブリッジ形など、各種回路構成のものが利用できる。
【００７４】
そして、被加熱物１１としては、上述したように、鋼管や表面に複数の凹凸を有した複雑な形状の歯車や複数の部材が積層するような複合材料など、誘導加熱されるいずれのものを対象とすることができる。また、高周波と中周波とを供給する構成について説明したが、さらに他の周波数を供給する構成としてもよい。さらには、高周波および中周波のみに限らず、少なくとも２つの異なる周波数を重畳して供給可能ないずれの構成とすることができる。
【００７５】
また、制御手段として、第１の発振手段２２１および第２の発振手段２３１の双方を制御する構成を例示したが、例えばそれぞれ独立に制御する構成に分けて制御するなどしてもよい。さらに、誘導加熱装置２００に制御手段を含む構成に限らず、独立した構成としてもよい。
【００７６】
さらに、バイパス回路２３３における第１の共振手段２２０からの帰還阻止をするリアクトルの構成として、一対の第１の導電板Ｌ１Ａおよび第２の導電板Ｌ１Ｂを所定の板間ギャップＧで対向配置した導体Ｌ１に限らず、各種抵抗など、いずれのリアクトルが利用できる。そして、リアクトルを設ける構成として、良好に帰還阻止できれば、対向する一対の導電板を利用する構成に限らず、所定の間隙で配線された導線など、いずれのブスバ構成、さらにはいずれの形状の導電部材を利用した構成などが適用できる。
【００７７】
また、バイパス直列回路Ｃ３として、２つの第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂを直列に接続した構成に限らず、３つ以上に分割した直列回路としてもよい。さらに、同仕様の第１分割コンデンサＣ３Ａおよび第２分割コンデンサＣ３Ｂで２分割する場合に限らず、静電容量が異なる状態で分割した直列回路としてもよい。同様に、第１の変圧器２１０の２次巻線２１２として、２分割に限らず、複数分割した構成としてもよく、分割する割合も異なる状態としてもよい。
【００７８】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構成に変更するなどしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る加熱装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】上記一実施の形態における加熱装置の前提となる技術を説明するための比較例となる加熱装置の概略構成を示す回路図である。
【図３】上記図２に示す加熱装置での第１の変圧器の電圧を示す波形図である。
【図４】上記図２に示す加熱装置での第２の変圧器の電圧を示す波形図である。
【図５】上記図２に示す加熱装置での電圧と電流と合成電圧との関係を示す波形図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る加熱装置の概略構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０……加熱装置
１１……被加熱物
１００……誘導加熱コイル
２００……誘導加熱装置
２１０……変圧器としての第１の変圧器
２１１……１次巻線
２１２……２次巻線
２１２Ａ…分割巻線としての第１分割巻線
２１２Ｂ…分割巻線としての第２分割巻線
２２０……第１の共振手段
２２１Ａ…順変換手段としての第１のコンバータ
２２１Ｂ…第１の逆変換手段としての第１のインバータ
２３０……第２の共振手段
２３１Ａ…順変換手段としての第２のコンバータ
２３１Ｂ…第２の逆変換手段としての第２のインバータ
２３３……バイパス回路
Ｃ１……第１のコンデンサ
Ｃ２……第２のコンデンサ
Ｃ３……バイパスコンデンサとしてのバイパス直列回路
Ｃ３Ａ…分割コンデンサとしての第１分割コンデンサ
Ｃ３Ｂ…分割コンデンサとしての第２分割コンデンサ
Ｌ１……リアクトルとしての導体
Ｌ１Ａ…導電板としての第１の導電板
Ｌ１Ｂ…導電板としての第２の導電板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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